Astrofyzikové zkoumali rychlost rotace černé díry v srdci Mléčné dráhy pojmenované Sagittarius A* (zkráceně Sgr A*) a výsledek je ohromil. Zjistili, že Sgr A* rotuje téměř nejrychleji, jak může, strhává všechno, co se nachází v její blízkosti, a tak formuje celou centrální oblast Mléčné dráhy.

Vědci sledovali objekt s drtivou gravitací observatoří NASA Chandra, která zaznamenává rentgenové záření a rádiové vlny vycházející z výtoků materiálu.

Rychle a zběsile

Černé díry vznikají ze zhroucených hvězd, které mají hmotnost aspoň deseti našich Sluncí. Rotace hvězdy se přitom přenese do rotace černé díry.

Tři teleskopy NASA letící na oběžné dráze pomáhají astronomům dozvědět se víc o supermasivní černé díře v srdci Mléčné dráhy zachycené na snímku ze sítě dalekohledů Event Horizon Telescope (EHT) – ve výřezu. Jsou to teleskopy NuSTAR, Swift a Chandra, jejíž dat využili fyzikové k určení rychlosti černé díry Sagittarius A*. | zdroj: Profimedia/EHT

Ohromující gravitace černé díry přitahuje materiál z okolí, který vytváří akreční disk – strukturu z rozptýleného materiálu obíhajícího kolem centrálního objektu. A z vnitřního okraje tohoto disku pak hmota padá do černé díry.

Materiál v akrečním disku se při pohybu zahřívá na teploty miliónů stupňů Celsia, což vede k tomu, že září na rentgenových vlnových délkách. Rentgenové spektrum akrečního disku přitom fyzikům pomohlo odhalit rychlost rotace černé díry.

Jeho pomocí vědci měřili, jakou rychlostí rotuje časoprostor přímo na horizontu událostí. A to je vlastně rotace černé díry.

Ilustrace rentgenové observatoře Chandra. | zdroj: Profimedia/EHT

Ve studii publikované v časopisu Monthly Notices of the Royal Astronomical Society fyzikové vysvětlují, že rychlost rotace černé díry má hodnotu od 0 do 1, přičemž 1 je maximální rychlost, která se blíží rychlosti světla.

Ruth A. Dalyová, astrofyzička z Penn State, a její spolupracovníci zjistili, že rychlost rotace Sgr A*, ležící 26 000 světelných let od Země, se pohybuje mezi 0,84 a 0,96. Je tedy blízko horní hranici definované šířkou černé díry.

„Objev, že Sgr A* rotuje téměř maximální rychlostí, má dalekosáhlé důsledky pro naše chápání vzniku černých děr a astrofyzikálních procesů spojených s těmito fascinujícími kosmickými objekty,“ cituje magazín Live Science Xaviera Calmeta, teoretického fyzika z Univerzity v Sussexu, který studii hodnotil.

Rotace černé díry se liší od rotace ostatních vesmírných objektů. Zatímco planety, hvězdy a asteroidy jsou pevná tělesa s hmotným povrchem, černé díry jsou ve skutečnosti oblasti časoprostoru ohraničené vnějším nefyzickým horizontem událostí, za kterým už nemůže uniknout žádné světlo.

„Zatímco rotace planety nebo hvězdy se řídí rozložením její hmotnosti, rotace černé díry je popsána jejím úhlovým momentem hybnosti,“ vysvětluje Calmet.

Zkroucený časoprostor

„V důsledku extrémních gravitačních sil v blízkosti černé díry rotace silně zakřivuje a kroutí časoprostor, který tvoří ‚ergosféru‘. Tento efekt je jedinečný pro černé díry a nevyskytuje se u pevných těles, jako jsou planety nebo hvězdy,“ cituje Live Science Calmeta.

Jinými slovy, černá díra při své rotaci deformuje samotnou strukturu časoprostoru a táhne za sebou vše, co se v ergosféře nachází.

Tento jev, kterému se říká „Lensing-Thirringův efekt“, je příčinou zvláštních vizuálních efektů v okolí černých děr a vysvětluje, proč k pochopení toho, jak se chová prostor kolem černé díry, potřebují vědci znát její rotaci.

„Když se světlo pohybuje v blízkosti rotující černé díry, tak rotace časoprostoru zakřiví nebo zkroutí jeho dráhu. To způsobí jev nazývaný gravitační čočkování, kdy je trajektorie světla ohnutá gravitací rotující černé díry,“ upozorňuje Calmet.

Lensing-Thirringův efekt tak vede ke vzniku světelných prstenců, a dokonce k vytvoření stínu černé díry.

Maximální rychlost černé díry je určena tím, jak se živí hmotou, potažmo tím, jak roste. Když hmota padá do černé díry, zvyšuje její rotaci. Existuje ale limit, kolik úhlového momentu hybnosti může díra mít.

Dalším důležitým parametrem je hmotnost černé díry. Hmotnější černé díry mají větší gravitační přitažlivost, takže je náročnější zvýšit jejich rotaci.

To by také podle autorů zmíněné studie mohlo vysvětlit podivnou věc: Sgr A* s hmotností odpovídající 4,5 milionu Sluncí má rychlost rotace mezi 0,84 a 0,96, ale rychle se živící supermasivní černá díra v srdci galaxie M87 rotuje zhruba stejným tempem rychlostí 0,89 až 0,91, ačkoli má hmotnost 6,5 miliardy Sluncí.

Přes nové poznatky, mezi které patří také rychlost rotace Sagittarius A*, zůstávají černé díry objekty zahalené mnoha tajemstvími. Jsou pro nás zkrátka příliš temné.